13高分子物理课件第七章聚合物的屈服与断裂.ppt

聚合物的韧性与增韧 冲击强度 Impact strength ——是衡量材料韧性的一种指标 高分子材料抗冲击强度是指标准试样受高速冲击作用断裂时，单位断面面积（或单位缺口长度）所消耗的能量。 它描述了高分子材料在高速冲击作用下抵抗冲击破坏的能力和材料的抗冲击韧性，有重要工艺意义。但它不是材料基本常数，其量值与实验方法和实验条件有关。 （一）? 抗冲击强度实验 抗冲击强度 的测定方法 高速拉伸试验 落锤式冲击试验 摆锤式冲击试验 悬臂梁式（Izod） 简支梁式（Charpy） 采用简支梁式冲击试验时，将试样放于支架上（有缺口时，缺口背向冲锤），释放事先架起的冲锤，让其自由下落，打断试样，利用冲锤回升的高度，求出冲断试样所消耗的功W，按下式计算抗冲击强度： 抗冲击强度单位为 简支梁式冲击试验机（Charpy）示意图 冲断试样所消耗的功 冲断试样的厚度和宽度 拉伸断裂实验中，材料拉伸应力-应变曲线下的面积（下图）相当于试样拉伸断裂所消耗的能量，也表征材料韧性的大小。很显然，断裂强度 高和断裂伸长率 大的材料韧性也好。 但这个能量与抗冲击强度不同。不同在于，两种实验的应变速率不同，拉伸实验速率慢而冲击速率极快；拉伸曲线求得的能量为断裂时材料单位体积所吸收的能量，而冲击实验只关心断裂区表面吸收的能量。 三个阶段中物料吸收能量的能力不同，有些材料如硬质聚氯乙烯，裂纹引发能高而扩展能很低，这种材料无缺口时抗冲强度较高，一旦存在缺口则极容易断裂。裂纹扩展是材料破坏的关键阶段，因此材料增韧改性的关键是提高材料抗裂纹扩展的能力 冲击破坏过程虽然很快，但根据破坏原理也可分为三个阶段：一是裂纹引发阶段，二是裂纹扩展阶段，三是断裂阶段。 冲击实验中材料受力及屈挠关系曲线 曲线下面积：白亮区域——裂纹引发能 阴影区域——裂纹扩展能 （二）影响抗冲击强度的因素 1、 缺口的影响 冲击实验时，有时在试样上预置缺口，有时不加缺口。有缺口试样的抗冲强度远小于无缺口试样，原因在于有缺口试样已存在表观裂纹，冲击破坏吸收的能量主要用于裂纹扩展。 另外缺口本身有应力集中效应，缺口附近的高应力使局部材料变形增大，变形速率加快，材料发生韧-脆转变，加速破坏。缺口曲率半径越小，应力集中效应越显著，因此预置缺口必须按标准严格操作。 大橡胶粒子终止银纹 大：与银纹厚度相当 作用2：终止银纹 小橡胶粒子嵌于银纹体内 对终止银纹有一定作用 HIPS中橡胶粒子对银纹的终止作用 J. Stabenow and F. Haaf, Die Ange. Makro. Chemie, 29, 1 (1973) HIPS：银纹厚度：2?m　最佳粒子尺寸：1－10 ?m ABS：银纹厚度：0.5?m 最佳粒子尺寸：0.1－1 ?m D. Cook et al. JAPS, 48, 75 (1993) JAPS, 44, 505 (1992) 400 300 200 100 0 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 乳胶粒子直径, ?m 缺口冲击能 J/m 无缺口冲击能 J/m 无缺口 缺口 HIPS 橡胶粒度对HIPS冲击性能的影响 银纹和剪切带均有分子链取向，吸收能量，呈现屈服现象 一般情况下，材料既有银纹屈服又有剪切屈服 主要区别 剪切屈服 银纹屈服 形变 形变大几十~几百% 形变小 10% 曲线特征 有明显的屈服点 无明显的屈服点 体积 体积不变 体积增加 力 剪切力 张应力 结果 冷拉 裂缝 银纹和剪切带是高分子材料发生屈服的两种主要形式。 银纹是垂直应力作用下发生的屈服，银纹方向多与应力方向垂直； 剪切带是剪切应力作用下发生的屈服，方向与应力成45o和135o角。 无论发生银纹或剪切带，都需要消耗大量能量，从而使材料韧性提高。发生银纹时材料内部会形成微空穴（空穴化现象），体积略有涨大；形成剪切屈服时，材料体积不变。 （1）溶剂的存在降低了材料的表面能，更容易产生新表面 （2）有机溶剂溶胀了表面，降低了Tg，使银纹可在低应力与低应变下生成 溶剂银纹化 两种机理 环境应力开裂 临界应变与溶度参数 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 ?(MPa)1/2 ?c, % Benier Kambour 1968 8 12 16 20 24 28 32 36 40 0.6 0.5 0.